全国大学生电子设计竞赛-电源设计培训

2013年5月2013年电子设计竞赛-电源设计培训全国大学生电子设计竞赛特点稳压电源设计与教学之本直流稳压电源设计基础集成直流稳压电源设计开关直流稳压电源设计稳压电源参数指标测试方法历年电源类题目分析电源类题目训练建议目录竞赛关键是用四天三夜时间半封闭完成一件作品！！！挑战杯：开放制作、一年时间嵌入式：开放制作、4个月时间机器人：开放制作、超过3个月时间其他：开放制作、超过3个月时间专家命题封闭制作教学内容1、全国大学生电子设计竞赛特点电源类信号源类通信类放大器类数据处理类自动控制类仪器仪表类适应电类各专业学生1、全国大学生电子设计竞赛特点题目特色本次培训主旨电子科学信息通信电气传动检测仪表自动化机电一体2、稳压电源设计与教学之本学生对功率概念相对淡薄对电源理解不深，生活中用电器的供电常用“端电压”描述如说到干电池，常常用几伏、几号表达电池容量，较少使用安培小时概念谈到工作实验室供电，常说220、380、很少知道配电容量，虽然有“限电”概念，但大多局限在学生宿舍内用电。电工原理电子技术电力电子自动控制电路分析电磁场模电数电通信电路高频电路微机原理电机拖动题目主线要依托到本科生开设的电类主要课程中的一个或几个具体知识点上。2、稳压电源设计与教学之本可编程逻辑器件电源分类线性稳压电源开关稳压电源充电泵转换器类型选择稳压电源性能指标3、直流稳压电源设计基础电源是提供电能的装置（1）电源分类参数调整（谐振）型自耦（变比）调整型开关型交流稳压电源线性稳压电源开关稳压电源交流稳压电源直流稳压电源重点分类（2）线性稳压电源应用•要求极低纹波和噪声的射频或高精度模拟（测量非常小的电压）电路•VIN和VOUT的压差极小的应用•需要一个精确调节电压的应用•要求针对负载的快速变化实现快速瞬态响应的FPGA或多内核处理器缺点•在VINVOUT的情况下效率偏低，因而需要使用一个较大的供电电源•利用稳压器产生功率(VIN–VOUT)*IOUT通过稳压器耗散，通常需要一个散热器•VOUT将始终低于VIN优点•低输出纹波和噪声•面对大负载变化，可在VOUT上实现快速瞬态响应•低成本（至少由于低功耗的原因）•极少的外部组件使得线性稳压器易于设计•由于线性稳压器不会将电流接入电感器，因此无需担心EMI问题•易于实现短路保护Vref+-误差放大器栅极驱动传输元件+-负载5V3.3V（3）开关稳压电源应用•要求高效率（输入功率与输出功率之差极小）的应用•具有极高环境温度的应用，如：工业和汽车•VIN远远高于VOUT的应用•电源可用空间受限（小面积）的应用•要求高输出功率的应用缺点•需要将电流接入电感器及从电感器接出，因此会：–产生电磁干扰(EMI)–导致输出对负载瞬变的响应速度减慢–产生较高的输出纹波和噪声•更多的外部组件和设计变量使开关电源难于设计优点•由于稳压是通过将能量转入电感或从电感器转出来完成的（而不是通过稳压器来消耗功率），因此：–可获得较高的效率–通过稳压器耗散的功率较低，故只需一个较小的散热器即可。–开关电源拓扑允许VOUT高于、低于或等于VIN–高功率/cm2–可允许较宽的输入电压范围•可提供隔离（利用变压器）•可提供多个输出（利用变压器）反激式(降压/升压)VINVOUT（4）充电泵应用•需要一个低输出电流的应用•具有中等的输入-输出电压差的应用•存在空间限制的应用缺点•将电容器接入电路及从电路接出会产生电磁干扰(EMI)•由于充电泵的输出取决于电容器的充电和放电，因此其电流供应能力受到限制优点•中等效率•由于充电泵将电容器两端的电压接入输出端及从输出端接出，因此：–无需电感器–VOUT可高于、低于和等于VIN•较少的组件使充电泵更易于设计Q1Q3Q2Q4CFLOAD+VINCoVo+-IoVCF+转换器类型的选择取决于电源设计的优先考虑因素。（5）转换器类型选择类别指标线性稳压器开关稳压器电感性充电泵效率20至60%90至95%75至90%纹波非常低低中等EMI噪声非常低中等低PCB面积非常小最大中等成本最低最高中等电压调整率（线性调整率）电流调整率（负载调整率）纹波抑制比纹波电流或电压VP-P输出噪声电压输出阻抗最大输入电压输出电压偏差最大输出电流LS（6）稳压电源性能指标noU000IUZgfdpUUSlg20%10010UUSUmax1U0Umax0I直流稳压电源是电子设备的能源电路，关系到整个电路设计的稳定性和可靠性，是电路设计中非常关键的一个环节。本节重点介绍三端固定式（正、负压）集成稳压器、三端可调式（正、负压）集成稳压器以及DC-DC电路等组成的典型稳压电路设计。4、集成直流稳压电源设计直流电源的组成及各部分的作用电源变压器:将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2。整流电路:将交流电压u2变为脉动的直流电压u3。滤波电路:将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4。稳压电路:清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压uo的稳定。整流电路滤波电路稳压电路u1u2u3u4uo三端固定式正压集成稳压器国内外各厂家生产的三端（电压输入端、电压输出端、公共接地端）固定式正压稳压器均命名为78系列，该系列稳压器有过流、过热和调整管安全工作区保护，以防过载而损坏。其中78后面的数字代表稳压器输出的正电压数值（一般有05、06、08、09、10、12、15、18、20、24伏共9种输出电压）。78系列稳压器最大输出电流分100mA、500mA、1.5A三种，以插入78和电压数字之间的字母来表示。插入L表示100mA、M表示500mA，如不插入字母则表示1.5A。此外，78（L、M）××的后面往往还附有表示输出电压容差和封装外壳类型的字母。常见的封装形式有TO-3金属和TO-220的塑料封装。正输入电压UI加到78XX的输入端，公共端接地，其输出端便能输出芯片标称正电压UO。实际应用芯片输入和输出端与地之间除分别接大容量滤波电容外，通常还需在芯片引出脚根部接小容量（0.1µF～10µF）电容Ci、Co到地。Ci用于抑制芯片自激振荡，Co用于压窄芯片的高频带宽，减小高频噪声。Ci和Co的具体取值应随芯片输出电压高低及应用电路的方式不同而异。三端固定式正压集成稳压器三端固定式负压稳压器命名为79系列，79前、后的字母、数字意义与78系列完全相同。图中芯片输入端加负输入电压UI，公共端接地，输出端得到标称的负输出电压UO。电容Ci用来抑制输入电压UI中的纹波和防止芯片自激振荡，Co用于抑制输出噪声。D为大电流保护二极管，防止在输入端偶然短路到地时，输出端大电容上储存的电压反极性加到输出、输入端之间而损坏芯片。三端固定式负压集成稳压器三端可调式集成稳压器三端可调式稳压器种类繁多，如正压输出的317（217/117）系列、123系列、138系列、140系列、150系列；负压输出的337系列等。LM317系列稳压器能在输出电压为1.25V～37V的范围内连续可调，外接元件只需一个固定电阻和一个电位器。其芯片内也有过流、过热和安全工作区保护。最大输出电流为1.5A。典型电路如图所示。其中电阻R1与电位器RP组成电压输出调节电位器，输出电压UO的表达式为：UO=1.25（1+Rp/R1）三端可调式集成稳压器正、负输出稳压电源正、负输出稳压电源能同时输出两组数值相同、极性相反的恒定电压。正、负输出稳压电源三端集成稳压器应用三端集成稳压器应用三端集成稳压器应用三端集成稳压器应用三端集成稳压器应用三端集成稳压器应用三端集成稳压器应用三端集成稳压器应用三端集成稳压器应用123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:12-Feb-2004SheetofFile:H:\电源设计\电源原理图.DdbDrawnBy:Vin2ADJ1+Vout3LM117ABCCC4051R11.5kR23.4kR34.9kR46.4kR57.9kR610.9kR713.9kR620ΩUUOI++--图为LM117和模拟开关CC4051构成的程控电源。三位并行数字码取不同值时，电源可输出2V、5V、12V、15V、18V、24V、30V等8种电压值。三端集成稳压器应用高压输入的解决方案三端集成稳压器应用高压输出电压的解决方案三端集成稳压器应用三端集成稳压器应用注意事项在一般应用的情况下主要考虑：纹波抑制能力的改善与旁路电容器、输出电压精度、输入电压、布线方式造成的负载效应与减小措施、反向电压保护、工作温度、散热与绝缘、安装方式。（1）纹波抑制能力的改善与旁路电容器小电流和需要抑制瞬变电压的集成稳压电路三端集成稳压器应用注意事项（2）输入电压的选择集成稳压器的输入电压范围很宽，从输出电压加上最小输入输出压差到35V（7824、7924以及LM317/LM337的40V）最高输入电压，集成稳压器都能正常工作。型号7805780678097812781579057906790979127915输入电压/V89121518﹣8﹣9﹣12﹣15﹣18固定输出电压的集成稳压器的输入电压三端集成稳压器应用注意事项（3）布线方式造成的负载效应与减小措施铜箔应尽可能短，同时尽可能的宽，覆焊锡以增加导线截面积，引出线应尽可能的短，并且引线的截面积不应低于0.35mm2，长距离的则不应低于0.5mm2，GND或调整端应接在电路的输出端，甚至是负载端。三端集成稳压器应用注意事项（4）反向电压保护集成DC/DC变换器DC/DC变换器拓扑结构及演化非隔离式DC/DC变换器隔离式DC/DC变换器5、开关直流稳压电源设计集成DC/DC变换器-MC34063MC33063A/MC34063A/MC35063A是单片DC/DC变换器控制电路，只需配用少量的外部元件，就可以组成升压、降压、电压反转DC/DC变换器。该系列变换器的电压输入范围为3～40V，输出电压可以调整，输出开关电流可达1.5A；工作频率可达100kHz，内部参考电压精度为2％。极性反转效率最高65％，升压效率最高90％，降压效率最高80％，变换效率和工作频率、滤波电容等成正比。输出功率达不到要求的时候，比如＞1A时，可以通过外接扩功率管的方法扩流。集成DC/DC变换器-MC34063集成DC/DC变换器-MC34063MC34063构成的充电器MC34063构成的开关型恒流源外围元件标称含义和它们取值的计算公式：Vout＝1.25V（１＋R1／R2）Ct：决定内部工作频率。Ct=0.000004*TonIpk=2*Iomax*T/toffRsc：决定输出电流，Rsc＝0.33／IpkLmin(电感)：Lmin＝(Vimin－Vces)*Ton/IpkCo：决定输出电压波纹系数，Co＝Io*ton/Vp-p固定值参数：Vces=1.0V；ton/toff=(Vo+Vf－Vimin)/(Vimin－Vces）；Vimin:输入电压不稳定时的最小值；Vf=1.2V快速开关二极管正向压降集成DC/DC变换器-MC34063参数名称符号单位MC34063（美国Motorola）ＣＷ34063（国产）IRM03A（日本夏普）输入电压VinV2.5～40V2.5～40V2.5～40V输出电压VoutV1.25～40V1.25～40V1.25～40V最大输出电流IomaxA1.5A1.5A1.8A最高工作频率fkHz0.1～100kHZ0.1～100kHZ0.1～100kHZ功率PW1.25W1.25W0.9W工作温度Ta度0～70度0～70度0～70度集成DC/DC变换器-MC34063在实际应用中的注意事项：1、快速开关二极管可以选用IN4148，在要求高效率的场合必须使用IN5819(贴片为SS14)；2、34063能承受的电压，即输入输出电压绝对值之和不能超过40V，否则不能安全稳定的工作；3、输出功率达不到要求的时候，比如＞1A时，可以通过外接扩功率管的方法